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新一代光子存储器:既高速又节能!

2019-02-28    来源:中国节能网
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[ 导读 ]:光,是一种能效最高的信息传输方式。但是,光却具有一个巨大的局限性:难以存储。实际上,数据中心主要依靠磁硬盘驱动器。然而,在这些硬盘中,信息传输的能耗目前正呈“爆炸式”地急剧增长。
 背景
光,是一种能效最高的信息传输方式。但是,光却具有一个巨大的局限性:难以存储。实际上,数据中心主要依靠磁硬盘驱动器。然而,在这些硬盘中,信息传输的能耗目前正呈“爆炸式”地急剧增长。
创新
近日,荷兰埃因霍芬理工大学(TU/e)光子集成研究所开发出一种将光与磁硬盘驱动器的优势结合起来的“混合技术”。超短(飞秒)光脉冲,让数据能以一种快速、高能效的方式直接写入磁存储器中。此外,一旦信息被写入(以及存储),它就会向前移动,将空间留给空白的存储域,以便新数据填充。
发表在《自然通信(Nature Communications)》期刊上的这项研究,有望彻底革新未来光子集成电路中的数据存储过程。
技术
硬盘驱动器中的数据是以“比特位”的形式存储,这是一种具有“南极”和“北极”的微小磁畴。这些磁极的方向(“磁化强度”)决定了这些“比特位”是包含数字“0”还是“1”。写入数据的过程是通过“切换”相关比特位的磁化强度方向来实现的。
通常情况下,当有外部磁场施加的时候,切换就发生了。这种外部磁场使得磁极的方向要么是“向上(1)”,要么是“向下(0)”。或者,这种切换也可以通过一种短(飞秒)激光脉冲来实现,它也称为“全光开关”。全光开关将带来一种更有效、更高速的数据存储。
如下图所示:全光开关。数据以“比特位”的形式存储,这些比特位包含数字“0(北极向下)”和“1(北极向上)”。数据的写入是通过采用超短激光脉冲(红色)“切换”两极的方向来实现的。
 
(图片来源:埃因霍芬理工大学)
 
埃因霍芬理工大学应用物理系博士生 Mark Lalieu 表示:“数据存储所用的全光开关已有差不多十年的历史了。当全光开关被首次在铁磁性材料(它属于磁存储器件最有前景的材料)中观察到时,这一研究领域得到了极大的发展。然而,这些材料中磁化强度的切换,需要多个激光脉冲,因此需要很长的数据写入时间。”
 
(图片来源:Sumio Ishihara)
Lalieu 在 Reinoud Lavrijsen 和 Bert Koopmans 的指导下,利用单个飞秒激光脉冲,在人工合成的亚铁磁体(一种很适合自旋电子学数据应用的材料系统)中实现了全光开关,从而利用了数据写入的高速度并降低了能耗。
此外,Lalieu 将全光开关与所谓的“赛道存储器”集成在一起。这种存储器是一种磁线。通过它,数据以磁比特位的形式,通过电流高效传输。在这种系统中,磁比特位是采用光线持续写入的,并且通过电流立即沿着电线传输,留下空间给空的磁比特位,从而存储新数据。
如图所示:在赛道存器器中“运行时”的数据写入,磁比特位(“1”与“0”)由激光脉冲(红色脉冲,左侧)写入,数据沿赛道传输到另一侧(黑色箭头)。未来,数据也可能通过光学方式读出(红色脉冲,右侧)。
 
(图片来源:埃因霍芬理工大学)
 
价值
那么,全光开关与现代磁存储技术相比如何呢?Lalieu 表示:“采用单脉冲全光开关切换磁化强度方向的耗时是皮秒级的,比当今的技术快成百上千倍。此外,因为光学信息存储在磁比特位中,无需耗费能量的电子器件,所以未来在光子集成电路中具有巨大的应用潜力。”
Koopmans 表示:“在光线与磁赛道之间‘运行中’的数据复制,无需任何中间电子步骤,就像从一辆高速行驶的列车上跳到另一辆高速行驶的列车上。从‘光子的Thalys高速列车’到‘磁性的ICE高速列车’,中间没有任何停顿。你会明白,这种方式将大大提高速度并降低能耗。”
未来
这项研究是在微米级的电线上进行的。未来,更小的纳米级器件设计将有利于更好地集成在芯片上。此外,纳米结构物理组的科学们正为了光子存储器件的最终集成而努力。目前,他们也正忙着研究(磁性)数据的读出,这种读出也将通过全光学的方式实现。
 
关键词: 数据 节能
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